Данные, записанные и обработанные в течение 2010 года, составили около 29 терабайт информации, полученной в результате 300 миллионов индивидуальных столкновений протонов высокой энергии в детекторе CMS. Обмен этими данными стал первым случаем, когда какой-либо крупный эксперимент с коллайдером частиц предоставил такой информационный кеш для широкой публики.Новое исследование Джесси Талера, доцента физики Массачусетского технологического института и давнего сторонника открытого доступа в физике элементарных частиц, и его коллег теперь демонстрирует научную ценность этого шага.
В статье, опубликованной в Physical Review Letters, исследователи использовали данные CMS, чтобы впервые выявить универсальную особенность струй субатомных частиц, которые образуются при столкновении протонов высоких энергий. Их работа представляет собой первый независимый опубликованный анализ открытых данных CMS.«В нашей области физики элементарных частиц нет традиции обнародования данных», — говорит Талер. «Фактически получить данные публично без каких-либо других ограничений — это беспрецедентно».Одна из причин, по которой группы на Большом адронном коллайдере и других ускорителях частиц сохранили право собственности на свои данные, заключается в опасении, что такие данные могут быть неверно истолкованы людьми, которые могут не иметь полного представления о физических детекторах и о том, как их различные сложные свойства могут влиять на производимые данные.
«Беспокойство было в том, что если вы сделаете данные общедоступными, то у вас появятся люди, которые будут требовать доказательства новой физики, хотя на самом деле это просто сбой в работе детектора», — говорит Талер. «Я думаю, что считалось, что никто не может прийти извне и внести эти исправления должным образом, и что какой-то аналитик-мошенник может заявить о существовании чего-то, чего на самом деле не было».«Это новый ресурс, который у нас есть сейчас, — добавляет Талер. "Я думаю, что было нежелание пытаться разобраться в этом, потому что это было сложно. Но наша работа здесь показывает, что мы можем понять в целом, как использовать эти открытые данные, что они имеют научную ценность и что это может быть ступенькой камень к будущему анализу более экзотических возможностей ".
Соавторами Талера являются Эндрю Ларкоски из Рид-колледжа, Симона Марзани из Государственного университета Нью-Йорка в Буффало, Аашиш Трипати и Вэй Сюэ из Центра теоретической физики и Лаборатории ядерных наук Массачусетского технологического института.Видеть фракталы в струяхКогда в 2014 году коллаборация CMS опубликовала свои данные, Талер попытался применить новые теоретические идеи для анализа информации. Его цель состояла в том, чтобы использовать новые методы для изучения струй, возникающих в результате столкновения протонов при высоких энергиях.
Протоны, по сути, представляют собой скопления еще более мелких субатомных частиц, называемых кварками и глюонами, которые связаны между собой взаимодействиями, известными в физике как сильное взаимодействие. Одна особенность сильного взаимодействия, известная физикам с 1970-х годов, описывает способ многократного расщепления кварков и глюонов после столкновения высоких энергий.Эту функцию можно использовать для прогнозирования энергии, сообщаемой каждой частице при отщеплении от материнского кварка или глюона.
В частности, физики могут использовать уравнение, известное как уравнение эволюции или функция расщепления, для предсказания структуры частиц, которые разбрызгиваются при первоначальном столкновении, и, следовательно, общей структуры создаваемой струи.«Именно этот фрактальный процесс описывает формирование струй», — говорит Талер. «Но когда вы смотрите на реактивный самолет в реальности, он действительно беспорядочный.
Как вы переходите от этого беспорядочного, хаотичного потока, который вы видите, к основному управляющему правилу или уравнению, которое породило этот реактивный самолет? Это универсальная функция, и тем не менее она имеет никогда не наблюдался непосредственно в измеряемой струе ".Наследие коллайдера
В 2014 году CMS выпустила предварительно обработанную форму необработанных данных детектора за 2010 год, которая содержала исчерпывающий список «кандидатов потока частиц» или типов субатомных частиц, которые, скорее всего, будут выпущены, учитывая энергии, измеренные в детекторе после столкновение.В следующем году Талер совместно с Ларкоски и Марцани опубликовал теоретическую работу, в которой предложил стратегию более полного понимания сложной струи таким образом, чтобы раскрыть фундаментальное уравнение эволюции, управляющее ее структурой.«Раньше такой идеи не существовало», — говорит Талер. «То, что вы можете превратить беспорядок струи в узор, и этот узор прекрасно сочетается с этим уравнением — это то, что мы обнаружили, когда применили этот метод к данным CMS».Чтобы применить свою теоретическую идею, Талер исследовал 750 000 отдельных струй, образовавшихся в результате столкновений протонов в открытых данных CMS.
Он посмотрел, соответствует ли структура частиц в этих струях тому, что предсказывало уравнение эволюции, учитывая энергии, высвобождаемые при их соответствующих столкновениях.Принимая каждое столкновение одно за другим, его команда смотрела на наиболее заметную создаваемую струю и использовала ранее разработанные алгоритмы, чтобы отследить и распутать энергии, испускаемые при повторном раскалывании частиц. Первичный анализ был проведен Трипати в рамках его бакалаврской диссертации Массачусетского технологического института и Сюэ.
«Мы хотели увидеть, как этот самолет создавался из более мелких деталей», — говорит Талер. «Уравнение говорит вам, как распределяется энергия при разделении вещей, и мы обнаружили, что когда вы смотрите на струю и измеряете, сколько энергии распределяется при разделении, это одно и то же».Команде удалось выявить функцию расщепления или уравнение эволюции, объединив информацию от всех 750 000 джетов, которые они изучили, показав, что уравнение — фундаментальная особенность сильного взаимодействия — действительно может предсказать общую структуру струи и струи. энергии частиц, образовавшихся в результате столкновения двух протонов.Хотя в целом это не может быть сюрпризом для большинства физиков, исследование представляет собой первый раз, когда это уравнение было так ясно видно на экспериментальных данных.«Никто не сомневается в этом уравнении, но мы смогли раскрыть его по-новому», — говорит Талер. «Это чистая проверка того, что вещи ведут себя так, как вы ожидаете.
И это дает нам уверенность в том, что мы можем использовать такие открытые данные для будущего анализа».Талер надеется, что его и другие анализ открытых данных CMS подтолкнет другие эксперименты по физике крупных частиц к выпуску аналогичной информации, отчасти для сохранения их наследия.
«Коллайдеры — это большие усилия», — говорит Талер. «Это уникальные наборы данных, и мы должны убедиться, что существует механизм для архивирования этой информации, чтобы потенциально делать открытия, используя старые данные, потому что наши теоретические представления со временем меняются. Открытый доступ — это ступенька к тому, чтобы убедиться, что это данные доступны для использования в будущем ".